Venti anni fa la previsione teorica, oggi la conferma sperimentale. Un team di ricercatori statunitensi è riuscito a ottenere in laboratorio un nuovo polimorfismo dell’acqua

Solido e liquido. I due stati della materia coesistono nell’acqua superionica. A dimostrarlo è un gruppo di ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory e dell’University of California Berkeley. Questa nuova fase dell’acqua è stata ottenuta in condizioni di pressione e temperatura elevatissime, paragonabili a quelle presenti all’interno di pianeti come Urano e Nettuno. Lo studio, pubblicato su Nature Physics, conferma, dopo quasi venti anni, una previsione teorica nata da una collaborazione tra la SISSA (Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati), l’Abdus Salam ICTP (International Centre for Theoretical Physics), entrambi di Trieste, e il Max-Planck Institut di Stoccarda.

A rendere unica la fase superionica è la struttura che assume l’acqua: solida e liquida allo stesso tempo. Questo insolito stato è dovuto alla dissociazione delle molecole in atomi elettricamente carichi, o ioni. In condizioni di temperatura e pressione estreme gli ioni di ossigeno restano cristallizzati in un reticolo (la fase solida) all’interno del quale fluiscono gli ioni idrogeno (la fase liquida). Per riuscire a ottenere il ghiaccio superionico, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica denominata laser-driven shock compression. Le molecole di acqua sono state prima compresse tra due incudini di diamante, aumentando la pressione di migliaia di volte, ottenendo così il ghiaccio VII, del 60% più denso di quello che normalmente troviamo nei nostri congelatori. Dopodiché il ghiaccio ottenuto è stato ulteriormente compresso, applicando una pressione milioni di volte superiore rispetto a quella atmosferica, e riscaldato con un laser fino a raggiungere circa 5 mila gradi centigradi. Tali condizioni di pressione e temperatura, chiaramente, non sono presenti sulla Terra. Ma nel nostro sistema solare, ricco di idrogeno e ossigeno, l’acqua superionica potrebbe costituire l’interno di pianeti come Urano e Nettuno, i grandi giganti di ghiaccio, e aiutare così a spiegare le anomalie del campo magnetico di questi pianeti. Infatti, va aggiunto che nello stato superionico, in cui gli ioni idrogeno (particelle cariche) sono liberi di muoversi, l’acqua si come comporta come un conduttore di corrente elettrica.

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Già da tempo gli scienziati studiano il comportamento dell’acqua alle alte pressioni. Più di un secolo fa, Percy Williams Bridgman, premio Nobel per la fisica nel 1946 “per l’invenzione di un apparato per produrre pressioni estremamente elevate e per le scoperte fatte con la fisica delle alte pressioni”, riuscì a ottenere cinque diverse forme di cristalli di ghiaccio. Quella che destò maggior interesse, per le possibili applicazioni industriali, fu il cosiddetto “hot ice”, ghiaccio che si scioglie a temperature superiori a quella di ebollizione. Nonostante le pressioni applicate da Bridgman fossero assai più basse di quelle che si riescono a raggiungere oggi, a lui si deve molto anche di quello che sappiamo sulle varie fasi del ghiaccio (attualmente ne sono note 17), tanto che vengono indicate utilizzando un sistema di nomenclatura che prende il suo nome.

L’esistenza dello stato superionico dell’acqua era stata già teorizzata da un gruppo di ricercatori italiani in uno studio pubblicato nel 1999 su Science. La previsione fu ottenuta con metodi di simulazione computazionale avanzati, per il periodo. “Con quei metodi, studiammo fra il 1994 e il 2000 tante sostanze a pressioni di milioni di atmosfere, tra cui, per l’appunto, l’acqua. Mentre gli esperimenti in quel regime sono sempre difficilissimi, i calcoli e le simulazioni si rivelano invece più affidabili”, spiega Erio Tosatti, tra gli autori dello studio. Il successo di questa previsione sull’acqua apre la strada alle ricerche nel campo dei nuovi materiali. “In linea di principio, si potrebbero ottenere materiali, finora inesistenti e insospettati, che resistano anche una volta riportata la pressione a condizioni ambientali”, continua Tosatti. “Questa possibilità non è poi così fantascientifica: la grafite si trasforma in diamante sotto pressione, ma una volta tolta la pressione, anche se metastabile, il diamante sopravvive abbastanza da giustificare perfino la frase pubblicitaria diamonds are forever”.

Immagine in evidenza: Simulazione di dinamica molecolare che mostra la rapida diffusione di ioni idrogeno (traiettorie rosa) all’interno del reticolo solido di ossigeno nel ghiaccio superionico. Credits: S. Hamel / M. Millot / J.Wickboldt / LLNL / NIF